1、基于PLC的投幣式模糊控制洗衣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、課題研究的背景以及研究意義近年來，我國現(xiàn)代化工業(yè)快速發(fā)展，人們生活水平也在日益提高，與人們生活息息相關(guān)的家用電器的自動(dòng)化程度也就要求越來越高，當(dāng)今的中國的城鎮(zhèn)居民每一戶家庭中幾乎都擁有一臺(tái)洗衣機(jī)，全自動(dòng)化洗衣機(jī)把人們從繁重的洗衣勞動(dòng)中解脫出來，但居住在學(xué)校和工廠集體宿舍這樣的環(huán)境下人們洗衣服仍然以手洗為主，所以選擇在學(xué)校和工廠的公共點(diǎn)設(shè)置投幣洗衣機(jī)不但能讓人們享受全自動(dòng)洗衣機(jī)帶來的方便而且也能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)利益，目前市面上普通的投幣式洗衣機(jī)存在諸多缺點(diǎn)，比如故障多，投幣器真假幣判斷錯(cuò)誤率高，衣服洗不干凈和浪費(fèi)水電等情況，這樣設(shè)計(jì)一種新的智能化的投幣式

2、洗衣機(jī)控制系統(tǒng)就很有必要和意義了。二、控制系統(tǒng)主要分三部分：1.傳感器與數(shù)據(jù)的檢測(cè)2.PLC與模糊控制3.智能投幣器系統(tǒng)整個(gè)工作流程圖如下：首先把衣服放入洗衣機(jī)內(nèi)然后合上蓋子，用戶對(duì)投幣器進(jìn)行投幣，投幣器接受到投幣信號(hào)后傳給然后系統(tǒng)經(jīng)過初始化工作后開始正式工作，各種傳感器把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送到模糊控制器中，從模糊控制器中獲得數(shù)據(jù)后對(duì)進(jìn)水排水電磁閥、各種電機(jī)、以及洗漆劑添加裝置等工作過程進(jìn)行控制，當(dāng)洗衣機(jī)工作過程結(jié)束后，顧客取出衣物，洗衣過程結(jié)束。1.傳感器與數(shù)據(jù)的檢測(cè)1.1衣服重量的檢測(cè)1.1.1光電傳感器衣服重量的檢測(cè)主要依靠光電傳感器，光電傳感器是根據(jù)光敏二極管工作原理制造的一種感應(yīng)

3、接收光強(qiáng)度變化的電子器件，當(dāng)它發(fā)出的光被目標(biāo)反射或阻時(shí)，則接收器感應(yīng)出相應(yīng)的電信號(hào)。它包含調(diào)制光源，由光敏元件等組成的光學(xué)系統(tǒng)、放大器、開關(guān)或模擬量輸出裝置把紅外、可見光、紫外線等光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的元器件，在光電檢測(cè)系統(tǒng)中是光電轉(zhuǎn)換過程的核心部件。檢測(cè)衣物重量就是利用不同質(zhì)量的衣物對(duì)滾筒的壓力和摩擦力不同，通電光電傳感器檢測(cè)滾筒的轉(zhuǎn)速從而間接的獲得衣物的質(zhì)量。1.1.2衣量的檢測(cè)方法衣物的重量和衣物的質(zhì)料是洗衣機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制最重要的兩個(gè)輸入量，衣服的重量和衣物的質(zhì)料決定模糊洗衣機(jī)洗漆時(shí)間、滾筒內(nèi)的水位以及洗漆劑的用量三個(gè)物理量，本文中使用的檢測(cè)衣物重量的基本原理是不同重量的衣物產(chǎn)生的布阻抗也

4、就不同。先把衣物放入滾筒后對(duì)電機(jī)先通電后斷電，不同重量的衣物電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)圈速也就不同，如果能檢測(cè)出來滾筒的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，就可以推算出衣物的重量了，測(cè)速原理圖如圖所示1.2衣物質(zhì)料的檢測(cè)衣服質(zhì)料的判斷需要有兩個(gè)因素，布量和吸水量，依據(jù)的基本原理是不同的布料的吸水能力不同，且同種布料質(zhì)量不同的吸水性也不同，下面介紹吸水量的檢測(cè)的方法：向洗衣機(jī)內(nèi)注入一定量的水，轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)膽，讓衣服充分吸收水分，然后測(cè)量n次水位。當(dāng)沒有被洗衣物的時(shí)候水位應(yīng)該為則水位應(yīng)為H1、H2、Hn，當(dāng)有被洗物，則水位應(yīng)為h1、h2、hn。因?yàn)橄嗤|(zhì)料的衣物吸水性能是相同的而相同衣物重量不同質(zhì)料的衣物吸水性能是不同的。所以兩個(gè)水

5、位差值變化曲線即可反映被洗衣物的吸水性能。通過吸水性能和布量可判斷出布質(zhì)。時(shí)間的關(guān)系圖如圖所示：根據(jù)上圖可以觀察得到含棉量越多的布料吸水性越強(qiáng)。由于洗衣服的時(shí)候，通常是幾種布料夾雜在一起，根據(jù)吸水性可得知衣服的含棉量，進(jìn)而獲得衣服的布質(zhì)。1.3衣服的臟污程度的檢測(cè)1.3.1渾濁度傳感器檢測(cè)原理是根懸浮顆粒在液體中不同的濃度所對(duì)照的漫反射射入光的強(qiáng)度也有所不同，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研宄和理論推算獲得散射光與投射光的比值與渾獨(dú)度符合線性關(guān)系，濁度的測(cè)量主要轉(zhuǎn)換為散射光強(qiáng)度的測(cè)量。渾濁度傳感器檢測(cè)過程示意如圖所示：1.3.2臟污程度檢測(cè)方法首先打開電磁閥，等待后，當(dāng)洗衣機(jī)內(nèi)的洗滌液到達(dá)排水泵后，排水泵的排水功能

6、將使渾濁度傳感器測(cè)量槽內(nèi)的流入的洗滌液跟洗衣機(jī)內(nèi)的洗滌液保持一致。這樣就能實(shí)現(xiàn)渾濁度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)洗滌液。PLC啟動(dòng)排水泵，30s后關(guān)閉電磁閥和排水泵，洗滌液進(jìn)入渾獨(dú)度傳感器的測(cè)量槽后靜止30s，30s可以讓洗滌液氣泡消失從而達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)進(jìn)行渾獨(dú)度檢測(cè)；重復(fù)以上過程若干次直到洗滌液渾濁度增長率變化接近穩(wěn)定后，即可認(rèn)定衣服已經(jīng)被清洗干凈，可以結(jié)束洗滌。1.4水位的檢測(cè)洗衣機(jī)桶內(nèi)水位高度的檢測(cè)也是依靠水位傳感器來完成的，水位傳感器實(shí)現(xiàn)的基本原理為：洗衣桶內(nèi)的水壓迫使空氣室內(nèi)的氣體給壓力傳感器施壓，作用于壓力傳感器的隔膜，隔膜板隨即被抬起。彈簧也作用于隔膜板，這兩個(gè)力共同作用在傳感器上達(dá)到平衡后就

7、確定了傳感器內(nèi)部的一個(gè)鐵心對(duì)線圈的位置，給線圈通電后，鐵心每次相對(duì)于線圈位置（線圈固定不動(dòng)）的變動(dòng)后，線圈都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)一一對(duì)應(yīng)的輸出電感。與此同時(shí)震蕩回路會(huì)給控制洗衣機(jī)的輸入一個(gè)頻率信號(hào)。如圖為水位傳感器的工作示意圖，圖為壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。圖為電路原理圖。2.PLC與模糊控制2.1可編程控制器PLCPLC的種類很多，功能和指令差異也很大，但是其結(jié)構(gòu)和工作方式大同小異。本文選用西門子公司的S7-200系列PLC，該系列PLC體積小、質(zhì)量輕、指令豐富、能耗低，性價(jià)比較高，硬件系統(tǒng)由主機(jī)、I/O接口、電源、編程器、I/O拓展接口和外部設(shè)備接口等主要部分構(gòu)成，如圖所示，如果將PLC看作一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系

8、統(tǒng)是按照如下的過程對(duì)輸出設(shè)備進(jìn)行控制的：首先輸入變量外部的各種開關(guān)信號(hào)和模擬信號(hào)通過輸入接口輸入到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中并寄存起來，當(dāng)用戶程序需要進(jìn)行邏輯運(yùn)算或者數(shù)據(jù)處理等要求時(shí)，PLC數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)就以輸出變量的形式從輸出接口輸出從而達(dá)到對(duì)輸出設(shè)備的控制。2.2模糊控制概述模糊控制的基本思想就是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。模糊概念、控制作用、過程變量這三者之間的關(guān)系可以用模糊數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)出。在己知了模糊關(guān)系和某時(shí)刻過程變量的檢測(cè)值的情況下，通過模糊數(shù)學(xué)中的模糊邏輯推理就可得出這個(gè)時(shí)刻的控制量。用一句話概括模糊控制：依據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)為知識(shí)模型，用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行模糊推理，通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的一種智

9、能控制這就是模糊控制的基本思路。模糊控制系統(tǒng)由5個(gè)部分組成，分別為模糊控制器、IO接口、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象。其中模糊控制器為核心。與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不同之處在于模糊控制系統(tǒng)的控制器不是中央處理器而是模糊控制器，為了能夠和模擬環(huán)節(jié)連接，在模糊控制器的接口處需要模/數(shù)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換。模糊控制系統(tǒng)同時(shí)也是閉環(huán)反饋系統(tǒng)，檢測(cè)裝置檢測(cè)到的數(shù)據(jù)要與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，然后根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。模糊控制器又稱為模糊邏輯控制器。因?yàn)槟：刂埔?guī)則用模糊條件語句來描述，因此有時(shí)也稱為模糊語言控制器。模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖所示，從功能上劃，它主要由四個(gè)部分組成：模糊化接口、知識(shí)庫、推理機(jī)以及解模糊接口。00003

10、.智能投幣器檢測(cè)過程中使用的一種最重要傳感器叫電渦流傳感器。顧名思義電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、頻率范圍寬、不受油污等介質(zhì)影響、并能進(jìn)行非接觸測(cè)量、適用范圍廣，因此一問世就受到各國的重視。目前這種傳感器己廣泛用來測(cè)量位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)，以及用于無損探傷等領(lǐng)域。電渦流傳感器的工作原理為金屬導(dǎo)體在磁場(chǎng)中與磁場(chǎng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生該感應(yīng)電流又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)來抵抗外界磁場(chǎng)的變化。下圖為投幣器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。采用單片機(jī)控制，硬件主要包括1.AT89C2051單片機(jī)；2.顯示模塊，用來顯示投幣的數(shù)目；3.硬幣學(xué)習(xí)電路，采用

11、555定時(shí)器對(duì)硬幣的學(xué)習(xí)；4.投幣檢測(cè)電路；5.MAX485電平轉(zhuǎn)換電路，為了和PLC進(jìn)行通信，需要電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換；6.按鍵電路，可以決定投幣器是學(xué)習(xí)狀態(tài)或者清除學(xué)習(xí)狀態(tài)；7.X5045監(jiān)控存儲(chǔ)模塊，用來儲(chǔ)存硬幣的特征值。系統(tǒng)的基本工作過程如下：硬幣塞入投幣器內(nèi)首先通過渦流傳感產(chǎn)生渦流效應(yīng)，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路處理，變換成數(shù)字量提供給AT89C2051實(shí)時(shí)處理。按鍵電路為兩個(gè)按鈕，這兩個(gè)按鈕用來決定投幣器工作在有學(xué)習(xí)狀態(tài)還是清除已學(xué)習(xí)硬幣的幣種；X5045存儲(chǔ)模塊用來存儲(chǔ)已學(xué)習(xí)硬幣的特點(diǎn)信息；MAX485電平轉(zhuǎn)換電路與的PLC通訊口連接用來二者進(jìn)行通信；顯示報(bào)警電路投幣數(shù)目；電源用來給AT

12、89C2051供電。投幣檢測(cè)電路：投幣器檢測(cè)硬幣是根據(jù)光電親合器的光束是否被阻擋來判定的，當(dāng)硬幣投入到投幣口落下的一瞬間將會(huì)遮擋D2發(fā)出的光束，三極管Q1立馬截至，光電耦合器輸出高電平，經(jīng)過反向器后變?yōu)橄陆笛剌斎氲絾纹瑱C(jī)中，如圖所示：三、控制系統(tǒng)的軟件部分模糊控制系統(tǒng)中軟件的設(shè)計(jì)是核心部分。在使用洗衣機(jī)洗衣之前需要投幣，投幣器的工作狀態(tài)有兩種，分別為學(xué)習(xí)狀態(tài)和檢測(cè)狀態(tài)。學(xué)習(xí)狀態(tài)程序流程為：給投幣器通電后，系統(tǒng)首先檢測(cè)是否處于學(xué)習(xí)狀態(tài)，當(dāng)學(xué)習(xí)狀態(tài)按鈕被按下后，系統(tǒng)首先把X5045內(nèi)的特征數(shù)據(jù)格式化，等新的硬幣特征被輸入后投幣器就可以進(jìn)行檢測(cè)硬幣狀態(tài)了，如果學(xué)習(xí)狀態(tài)的按鈕沒有按下，系統(tǒng)將會(huì)采用上一

13、次X5045內(nèi)的硬幣特征作為檢測(cè)依據(jù)。投幣了檢測(cè)狀態(tài)流程為：當(dāng)有投幣信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)把檢測(cè)到的投幣信號(hào)的特征值與X5045內(nèi)的特征數(shù)據(jù)比較，如果一致那么直接顯示硬幣數(shù)目加1，如果不一致則說明投入的硬幣是假的，直接從閥門口退出硬幣。根據(jù)前面的模糊控制器的內(nèi)容我們知道洗衣機(jī)的大多數(shù)的模糊推理都在洗滌之前執(zhí)行完成，然后進(jìn)入洗滌過程。在實(shí)際洗滌過程可能由于一系列的原因產(chǎn)生故障，因此需要系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警。本文定義的隸屬度函數(shù)建立的的洗衣決策表被簡(jiǎn)化后又建立了新的控制規(guī)則表，根據(jù)新的控制規(guī)則再結(jié)合人們?cè)趯?shí)際使用過程的習(xí)慣得到了洗衣機(jī)工作的總流程圖。程序中包含有自檢程序、檢測(cè)程序、洗滌程序、漂洗程序、脫水程序。洗衣機(jī)的工作流程為：投完幣后，PLC接收到投幣信號(hào)后即幵始進(jìn)入工作狀態(tài)，系統(tǒng)首先自檢，自檢的作用就是檢測(cè)在正常洗滌衣物之前有無異常，如果有異常則系統(tǒng)不能進(jìn)行接下來的洗滌動(dòng)作，如果一切正常則啟動(dòng)第一次洗滌程序，當(dāng)?shù)谝淮蜗礈旖Y(jié)束后即判斷是否需要進(jìn)行第二次洗滌，如果不需要系統(tǒng)進(jìn)入是否進(jìn)行脫水程序的判斷，如果需要?jiǎng)t繼續(xù)執(zhí)行第二次洗滌程序，當(dāng)進(jìn)入到脫水程序時(shí)，如需要脫水就進(jìn)行脫水，然后結(jié)束，不需要脫水則直接結(jié)